地球以外にも生命が存在する惑星はあるのでしょうか？現在の研究では次のことが判明しています...

宇宙という広大で神秘的な世界は、古来より人類の無限の好奇心を掻き立ててきました。この星の海で私たちは孤独なのでしょうか？地球以外にも生命を育む惑星はあるのでしょうか？これらの疑問は常に天文学者の探究の焦点となってきました。

1995年、ミシェル・マイヨールとディディエ・ケローという2人のスイスの天文学者が視線速度法を用いて、ペガスス座51番星の周りを4.2日で公転する惑星、すなわちペガスス座51番星bを発見しました。この発見は天文学の新しい時代を切り開くだけでなく、宇宙の謎を探る新たな視点も提供します。この画期的な研究により、彼らは2019年のノーベル物理学賞を受賞し、太陽系外惑星研究の重要性を浮き彫りにしました。

ディディエ・ケロー（左）とミシェル・マイヨール（右）

(画像出典: ESO)

太陽系外惑星とは何か

太陽系外惑星とは、太陽系の外にある惑星のことで、英語ではextosolar planetまたはexoplanetと呼ばれます。 2006 年に国際天文学連合 (IAU) によって定義された「惑星」という用語は太陽系のみを含み、太陽系外惑星には適用されません。しかし、国際天文学連合も太陽系外惑星の定義を持っており、これは 2001 年に発表され、2003 年に改訂されました。その定義は次のとおりです。真の質量が重水素核融合に必要な質量の下限 (太陽と同程度の金属含有量を持つ天体の場合、この質量は木星の質量の 13 倍) よりも低く、恒星または恒星残骸の周りを公転する天体は「惑星」と呼ばれます。その質量/サイズの下限は、太陽系の惑星の定義に使用されるものと同じです。

どのように、どこで形成されたかに関係なく、実際の質量が重水素の核融合に必要な質量の下限を超える恒星下天体は「褐色矮星」と呼ばれます。若い星団内の自由浮遊物体で、その質量が重水素核融合に必要な最小質量限度を下回るものは、「惑星」ではなく「亜褐色矮星」（または他のより適切な名前）と呼ばれます。実際、新しい太陽系外惑星が発見され続けるにつれて、この定義にも限界があることがわかってきました。一部の天文学者は、惑星形成のメカニズムに基づいて、太陽系外惑星を褐色矮星および亜褐色矮星と区別することを提案している。

太陽系外惑星の観測方法

技術の進歩により、人類は太陽系外惑星を探索するためのさまざまな手段を習得しました。主な方法をいくつか紹介します。

1. 視線速度 (RV)はドップラー分光法とも呼ばれます。

この方法は、スペクトル内の星を観測して「揺れ」の兆候を探すことに依存しています。太陽系外惑星が主星に与える影響により、太陽系外惑星が異なる位置に移動すると、主星がさまざまな方向に引っ張られ、この「揺れ」現象が発生します。

本質的に、視線速度法は惑星自体の兆候を探すのではなく、恒星の動きの兆候を探します。分光法は、ドップラー効果によって星のスペクトル線がどのようにシフトするか、つまり星の光がスペクトルの方向（赤方偏移/青方偏移）にどのように変化するかを測定します。これらの変化は、星が地球から遠ざかっている（赤方偏移）か、地球に近づいている（青方偏移）ことを示しています。天文学者は恒星の速度に基づいて惑星系の存在を判断し、惑星の質量を計算することができます。トランジット法が広く使用されるようになる前は、人類が太陽系外惑星を探査するための最も重要な手段でした。

視線速度法の原理

2. トランジット測光法は、トランジット法または日食法とも呼ばれ、トランジットが発生したときの星の明るさの変化を分析して、惑星の軌道とパラメータを推測する観測方法です。

太陽系外惑星は通常、親星の光に隠れており、私たちが直接観測することはできません。トランジット法は太陽系外惑星の存在を推測する間接的な方法です。惑星が親星の円盤の前を通過すると（「トランジット」と呼ばれるプロセス）、星の視覚的な明るさがわずかに低下することが観察されます。恒星が暗くなる度合いは、恒星に対する惑星の大きさによって決まります。たとえば、親星が太陽の大きさで、惑星が木星の大きさである場合、惑星が親星を遮ると、地球から観測したときに星の光度曲線は約 1% 低下します。つまり、明るさが 0.01 等級低下するのと同等です。地球型惑星の場合、振幅はさらに小さくなります。

トランジット法は現在、太陽系外惑星を観測するために最も広く使用されている方法ですが、トランジット法では惑星の半径は測定できますが、質量は測定できないため、限界もあります。トランジット法で発見された候補天体については、その質量を確認するために視線速度法を使用する必要があります。

トランジット方式の原理

3. ダイレクトイメージングは​​、直接イメージング方式とも呼ばれます。名前の通り、太陽系外惑星を直接撮影するものです。しかし、惑星は反射する光子が少なすぎる上に恒星に覆われているため、惑星の画像を直接撮影することは非常に困難です。これには、惑星自体が十分に大きく、親星の光で隠れてしまうほど親星に近すぎないことが必要です。さらに重要なのは、これを実現するにはコロナグラフを備えた十分に強力な望遠鏡が必要だということです。

JWSTのNIRCamとMIRIの観測装置で撮影された太陽系外惑星HIP 65426b

画像提供: NASA

4. 重力マイクロレンズ法は、恒星の明るさの変化を測定することで太陽系外惑星を検出する方法です。

重力レンズ効果は、アインシュタインの一般相対性理論によって予測された光学効果です。質量の大きい物体の近くでは時空が歪むため、光は質量の大きい物体の近くを通過するときに曲がります。観測者から光源までの直線上に巨大な天体がある場合、観測者は光の屈折によって形成された 1 つ以上の像を目にします。この現象は重力レンズ効果と呼ばれます。前景の物体の質量が小さく、光の偏向も小さい場合、生成される複数の画像は区別が難しくなり、背景の星の明るさが著しく強調されるという視覚効果が生じます。太陽系外惑星を運ぶ前景の星が偶然背景の星を通過すると、背景の星の明るさが増加し、光度曲線にピークが形成されます。太陽系外惑星の質量は前景の恒星の質量よりも小さいため、太陽系外惑星が生成するピークも小さくなりますが、それでも元の光曲線の特定の位置に小さなピークが重なっているのが観察できます。光度曲線によって生成される二次ピークを通じて太陽系外惑星の存在を判定できます。

マイクロレンズの原理

上記の主流の方法の他に、天文測量法、通過時間変化法、輝度変調法など、他の多くの方法もあります。ただし、これらの方法は散発的に発見されただけであり、数も少ないです。

発見された太陽系外惑星の半径周期分布と質量周期分布

発見された太陽系外惑星の統計

2024年9月2日現在、確認されている太陽系外惑星は合計7,323個あり、そのうち4,456個はトランジット法によって発見されたものです。さらに、視線速度法によって1,273個、直接撮像法によって1,051個、マイクロレンズ法によって308個の惑星が発見されました。 (データソース: 太陽系外惑星百科事典 http://exoplanet.eu/)

太陽系外惑星の重要性と展望

太陽系外惑星の研究は重要な科学的価値を持っています。これは、惑星系の形成メカニズムを理解するための貴重なデータを提供するだけでなく、太陽系の比較対象も提供します。地球に似た惑星、特にその恒星の居住可能領域内にある惑星を発見すると、地球外生命体を発見できる可能性が大幅に高まります。

技術が進歩するにつれ、特にジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のような新世代の望遠鏡の登場により、太陽系外惑星の大気をより深く研究できるようになり、生命の兆候を直接観察できるようになるかもしれません。

さらに、太陽系外惑星の発見と研究は、宇宙に対する一般大衆の好奇心を大きく高め、科学教育の発展を促進しました。太陽系外惑星の探査は、科学技術の発展を促進するだけでなく、生命の存在の可能性について人々に深く考えさせる刺激的な分野です。観測方法が進歩し続けるにつれ、将来的には太陽系外惑星に関するさらなる謎が解明され、最終的には「広大な宇宙で我々は孤独なのか？」という昔からの疑問に答えられることを期待しています。